RU2538077C2

RU2538077C2 - Device for inductive winding diagnostics

Info

Publication number: RU2538077C2
Application number: RU2013105699/28A
Authority: RU
Inventors: Валентин Иванович Богданов; Борис Юрьевич Калмыков; Виктор Иванович Богданов; Николай Александрович Овчинников
Priority date: 2013-02-11
Filing date: 2013-02-11
Publication date: 2015-01-10
Also published as: RU2013105699A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used for pinpointing failed states in induction windings of electrical machines. The invention concept is as follows: the device comprises a three-phase transformer with regulated voltage in the wye-connected secondary winding having three linear conductors, a known good inductive winding coupled by one output with the first linear conductor, a comparison circuit containing a capacitor and resistor with variable resistance values, which may be connected by one of its outputs to the second linear conductor and the second output of the known good winding and an ammeter connected to the third linear conductor. The device is designed for measurements by an ammeter in the circuit of the known good winding with disconnected comparison circuit and tested circuit; it is capable to measure current when the comparison circuit is connected by its one output to the second linear conductor and by its second output to the second output of the known good winding with potential current measurement when the tested winding is coupled in the third linear conductor circuit to the junction unit of the known good winding in series with the ammeter. Operating condition of the tested inductive winding is judged by the current value in the third linear conductor.

EFFECT: expanded operating performances.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для определения неисправного состояния (диагностики) индуктивных обмоток электрических машин, а также трансформаторов, пускозащитной аппаратуры, обмоток устройств автоматики и электроники.The present invention relates to the field of electrical engineering and can be used to determine the malfunctioning state (diagnostics) of inductive windings of electric machines, as well as transformers, start-up equipment, windings of automation and electronics devices.

Диагностика электротехнических устройств, содержащих индуктивные обмотки, заключается в основном путем измерения и расчета электрических параметров - полного, активного и реактивного сопротивлений, индуктивности и добротности.Diagnostics of electrical devices containing inductive windings consists mainly of measuring and calculating electrical parameters - total, active and reactive resistances, inductance and quality factor.

Эти параметры можно рассчитать на основе измерений напряжения U, тока I и активной мощности тока Р с помощью широко известного в практике устройства для электрических измерений, измерительного комплекта К-505 и его модификаций по формулам:These parameters can be calculated on the basis of measurements of the voltage U, current I and active power of the current P using a device widely known in practice for electrical measurements, the measuring kit K-505 and its modifications according to the formulas:

Z=U/I, Ом - полное сопротивление;Z = U / I, Ohm - impedance;

R=Р/I²=Z cos φ, Ом - активное сопротивление;R = P / I ² = Z cos φ, Ohm - active resistance;

Х=Z sin φ, Ом - реактивное сопротивление;X = Z sin φ, Ohm - reactance;

Cos φ=P/S - коэффициент мощности тока;Cos φ = P / S - current power factor;

φ=arcos φ - угол сдвига фаз между током и напряжением. Диагностика индуктивных обмоток электротехнических устройств различного назначения с помощью измерительного комплекта типа К-505 в натурных условиях не является оперативной с достаточной разрешающей способностью. Измерительный комплект не является прибором сравнительной оценки непосредственно электрических параметров заведомо исправной индуктивной обмотки и аналогичной испытуемой. Этот метод позволяет оценить состояние, например, обмоток электродвигателя при их значительных (ощутимых) нарушениях не на начальных стадиях.φ = arcos φ is the phase angle between the current and voltage. Diagnostics of inductive windings of electrical devices for various purposes using a measuring kit of the K-505 type in full-scale conditions is not operational with sufficient resolution. The measuring set is not a device for a comparative evaluation of directly electrical parameters of a known-good inductive winding and a similar test one. This method allows you to assess the condition, for example, of the motor windings with their significant (tangible) violations not at the initial stages.

Необходимость раннего выявления неисправного состояния индуктивных обмоток электродвигателей, используемых в приводах компрессоров, размещенных в неразборных корпусах бытовых и торговых холодильных агрегатах, связана, прежде всего, с их длительной безаварийной эксплуатацией. Поэтому в условиях цеха перед установкой ремонтного или нового электродвигателя в корпус герметичного холодильного компрессора проводится их диагностика.The need for early detection of the malfunctioning state of the inductive windings of electric motors used in compressor drives located in non-separable cases of household and commercial refrigeration units is connected, first of all, with their long trouble-free operation. Therefore, in a workshop, before installing a repair or new electric motor in the housing of a hermetic refrigeration compressor, they are diagnosed.

Натурная (внецеховая) диагностика обмоток электропривода бытовых и торговых холодильных агрегатов и кондиционеров выполняется малыми предприятиями сервиса по заявкам заказчиков. Разнообразие электроприводов холодильной техники достаточно велико. Их основные электрические параметры значительно отличаются: по напряжению от 127 до 380 В, по мощности тока от 0,18 кВт до 5,5 кВт, по номинальной силе тока от 1,3 А до 7 А, по коэффициенту мощности тока от 0,65 до 0,86, что соответствует углу сдвига фаз между током и напряжением, не превышающим 60°.Full-scale (non-workshop) diagnostics of the electric windings of household and commercial refrigeration units and air conditioners is carried out by small service enterprises at the request of customers. A variety of electric refrigeration equipment is quite large. Their main electrical parameters differ significantly: by voltage from 127 to 380 V, by current power from 0.18 kW to 5.5 kW, by nominal current strength from 1.3 A to 7 A, by current power factor from 0.65 up to 0.86, which corresponds to a phase angle between current and voltage, not exceeding 60 °.

При таком разнообразии электроприводов холодильных агрегатов оперативная их диагностика в натурных условиях (у заказчика) может быть выполнена прибором (устройством) сравнения, в котором используется легкоперестраиваемая по сопротивлению электрическая цепь сравнения.With such a variety of electric drives of refrigeration units, their on-line diagnostics in full-scale conditions (at the customer's place) can be carried out by a device (device) of comparison, in which an electric comparison circuit that is easily adjustable in resistance is used.

Наиболее распространенными приборами сравнения, предназначенными для измерения параметров элементов электрических цепей, являются электрические мосты постоянного и переменного тока. Мосты имеют диагональ питания и диагональ нагрузки, в которую включают сравнивающее устройство (СУ) или показывающий прибор. В зависимости от режима работы диагонали нагрузки различают электрические мосты уравновешенные, неуравновешенные и квазиуравновешенные. В последних уравновешивание моста осуществляется по одной из составляющих комплексного полного сопротивления - модулю, фазе, активной или реактивной. Достигается это путем применения специальных сравнивающих устройств - детекторов частотных фазовых, амплитудных (Электротехнический справочник, в 3-х Т, Т1, под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - М.: Энергия, 1980, - 520 с, стр.183-186).The most common comparison instruments for measuring the parameters of elements of electrical circuits are electric bridges of direct and alternating current. Bridges have a power diagonal and a load diagonal, which include a comparison device (SU) or indicating device. Depending on the mode of operation of the load diagonal, there are balanced, unbalanced and quasi-balanced electric bridges. In the latter, the balancing of the bridge is carried out according to one of the components of the complex impedance - the module, phase, active or reactive. This is achieved through the use of special comparison devices - phase, amplitude frequency detectors (Electrical reference book, in 3 T, T1, under the general editorship of MEI professors V.G. Gerasimov and others. - M .: Energy, 1980, - 520 s, p. 183-186).

Большая часть мостов переменного тока, предназначенных для измерения параметров индуктивных обмоток, работают при малых величинах токов (мосты Р50-1, УМ-3, Р556, ИИН-4). Мост ИИН-ЗМ предназначен для лабораторных и цеховых измерений параметров индуктивных обмоток с магнитопроводом и без него. Токи небольшой величины в измерительных схемах мостов делают их малоприемлемыми для раннего выявления неисправного состояния обмоток в электроприводах компрессоров. Кроме этого, мосты имеют большой вес от 20 до 60 кг и высокую цену.Most of the AC bridges designed to measure the parameters of inductive windings operate at low currents (bridges P50-1, UM-3, P556, IIN-4). The IIN-ZM bridge is intended for laboratory and workshop measurements of the parameters of inductive windings with and without a magnetic circuit. Small currents in measuring circuits of bridges make them unacceptable for early detection of a faulty state of windings in compressor electric drives. In addition, bridges have a large weight of 20 to 60 kg and a high price.

Наиболее близким по своей сути устройством для диагностики индуктивных обмоток, принятым за прототип и с помощью которого выполняется сравнение полных сопротивлений индуктивных обмоток, измеренных с помощью трехфазной электрической цепи, является устройство, схема которого показана на фиг.1 (Патент на изобретение: RU 2396571 С1, МПК G01 31/06, 10.08.2010, бюл. №22).The closest inherently device for diagnosing inductive windings, adopted as a prototype and with which a comparison of the total resistances of inductive windings measured using a three-phase electric circuit is performed, is a device whose circuit diagram is shown in Fig. 1 (Patent for invention: RU 2396571 C1 , IPC G01 31/06, 08/10/2010, bull. No. 22).

Электрическая схема, показанная на фиг.1, с помощью которой реализуется устройство прототипа, содержит: испытуемую индуктивную обмотку 2, соединенные последовательно с электрической цепью сравнения 3, содержащей активное 4 и реактивное емкостное 5 с переменными величинами сопротивления, трехфазный трансформатор 6 с регулируемым напряжением вторичных обмоток, соединенных по схеме треугольник, линейный проводник 7 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу испытуемой индуктивной обмотки 2, линейный проводник 8 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу электрической цепи сравнения 3, линейный проводник 9 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен через сравнивающее устройство - амперметр 1 к узлу соединения электрических цепей 2 и 3.The electrical circuit shown in Fig. 1, by means of which a prototype device is implemented, contains: a test inductive winding 2 connected in series with a comparison circuit 3 containing an active 4 and a reactive capacitive 5 with variable resistance values, a three-phase transformer 6 with an adjustable secondary voltage windings connected in a triangle pattern, the linear conductor 7 of the secondary winding of the transformer 6 is connected to the free end of the test inductive winding 2, the linear conductor 8 is secondary second winding of the transformer 6 is connected to the free end of the comparison circuit 3, a linear guide 9 of the secondary winding of the transformer 6 is connected through a comparator - ammeter 1 to node connections of electric circuits 2 and 3.

Измерения устройством прототипа осуществляют следующим образом. В обесточенной измерительной схеме устройства отключают электрическую цепь сравнения 3 от линейного проводника 8 вторичной обмотки трехфазного трансформатора 6, устанавливают регулятор напряжения вторичных обмоток в нулевое положение. Подключают к линейному проводнику 7 вторичной обмотки трансформатора 6 измерительной схемы одну из заведомо исправных обмоток одно- или трехфазного электродвигателя, например, компрессора холодильника или кондиционера. Подключают схему устройства к трехфазной сети, регулятором устанавливают такую величину вторичного напряжения, при которой возникает номинальная величина тока в заведомо исправной индуктивной обмотке 2 электродвигателя, отсчитываемая по амперметру 1. Далее обесточивают измерительную схему, подключают электрическую цепь сравнения 3 к линейному проводнику 8 вторичной обмотки трансформатора 6, вновь подключают сеть, изменяют величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 до тех величин, при которых ток в линейном проводнике 9, измеряемый амперметром 1, не станет равным нулю. Полученные величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 электрической цепи сравнения 3 записывают в базу данных. База данных и элементы электрической цепи сравнения 3 используются при диагностических работах в условиях заказчика. Электрическая цепь сравнения позволяет отказаться от объектов сравнения заведомо исправных обмоток электроприводов компрессоров однотипных холодильных агрегатов при диагностических работах в условиях заказчика.Measurement device prototype is as follows. In the de-energized measuring circuit of the device disconnect the comparison circuit 3 from the linear conductor 8 of the secondary winding of the three-phase transformer 6, set the voltage regulator of the secondary windings to the zero position. One of the known-good windings of a single or three-phase electric motor, for example, a compressor of a refrigerator or an air conditioner, is connected to the linear conductor 7 of the secondary winding of the transformer 6 of the measuring circuit. The device circuit is connected to a three-phase network, the regulator sets the value of the secondary voltage at which a nominal current value appears in a known-good inductive winding 2 of the electric motor, measured by ammeter 1. Next, the measurement circuit is de-energized, the comparison circuit 3 is connected to the linear conductor 8 of the transformer secondary winding 6, reconnect the network, change the resistance values of the resistor 4 and the capacitance of the capacitor 5 to those values at which the current in the linear conductor 9, measured by ammeter 1, will not be equal to zero. The obtained resistance values of the resistor 4 and the capacitance of the capacitor 5 of the electric circuit 3 of comparison are recorded in the database. The database and the elements of the electrical circuit of comparison 3 are used for diagnostic work in the customer's conditions. The electrical comparison circuit allows you to abandon the objects of comparison of known-good windings of electric drives of compressors of the same refrigeration units during diagnostic work in the customer's conditions.

При диагностике устройством прототипа электрических обмоток с относительно большим полным сопротивлением, например, электрических машин малой мощности тока, неизбежно возникают значительные тепловые потери мощности тока как в испытуемых индуктивных обмотках, так и во вторичных обмотках измерительного трансформатора. Это является недостатком способа прототипа.When the device prototype diagnoses electrical windings with a relatively high impedance, for example, electric machines of low current power, significant thermal losses of current power inevitably occur both in the tested inductive windings and in the secondary windings of the measuring transformer. This is a disadvantage of the prototype method.

Задачей предлагаемого технического решения является диагностика индуктивных обмоток с относительно большим активным сопротивлением, например электродвигателей малой мощности токаThe objective of the proposed technical solution is the diagnosis of inductive windings with a relatively large active resistance, for example, electric motors of low current power

Электрическая схема, показанная на фиг. 2, с помощью которой реализуется предлагаемое устройство, содержит: заведомо исправную индуктивную обмотку 2, соединенную последовательно с электрической цепью сравнения 3, содержащей активное 4 и реактивное емкостное 5 с переменными величинами сопротивления, трехфазный трансформатор 6 с регулируемым напряжением вторичных обмоток, соединенных по схеме треугольник, линейный проводник 7 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу исправной индуктивной обмотки 2, линейный проводник 8 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу электрической цепи сравнения 3, линейный проводник 9 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к электрической цепи, содержащей сравнивающее устройство - амперметр 1, последовательно подключенный к испытуемой индуктивной обмотке 10 и далее к узлу соединения электрических цепей 2 и 3.The electrical circuit shown in FIG. 2, with the help of which the proposed device is implemented, it contains: a known-good inductive winding 2 connected in series with an electric comparison circuit 3 containing an active 4 and a reactive capacitive 5 with variable resistance values, a three-phase transformer 6 with an adjustable voltage of the secondary windings connected in a triangle , the linear conductor 7 of the secondary winding of the transformer 6 is connected to the free end of a working inductive winding 2, the linear conductor 8 of the secondary winding of the transformer 6 p dklyuchen the free end of the comparison circuit 3, a linear guide 9 of the secondary winding of the transformer 6 is connected to an electrical circuit comprising a comparator - ammeter 1 sequentially connected to the test inductive coil 10 and further to the connection node of electric circuits 2 and 3.

Измерения предлагаемым устройством осуществляют следующим образом. В обесточенной измерительной схеме устройства отключают электрическую цепь сравнения 3 от линейного проводника 8 вторичной обмотки трехфазного трансформатора 6, отключают испытуемую индуктивную обмотку 10 от линейного проводника 9, устанавливают регулятор напряжения вторичных обмоток в нулевое положение. Подключают к линейному проводнику 7 вторичной обмотки трансформатора 6 измерительной схемы одну из заведомо исправных обмоток одно- или трехфазного электродвигателя, например, компрессора холодильника или кондиционера. Подключают схему устройства к трехфазной сети, регулятором устанавливают такую величину вторичного напряжения, при которой возникает номинальная величина тока в заведомо исправной индуктивной обмотке 2, отсчитываемая по амперметру 1. Далее обесточивают измерительную схему, подключают электрическую цепь сравнения 3 к линейному проводнику 8 вторичной обмотки трансформатора 6, вновь подключают сеть, изменяют величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 до тех величин, при которых ток в линейном проводнике 9, измеряемый амперметром 1, не станет равным нулю. Полученные величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 электрической цепи сравнения 3 записывают в базу данных. База данных и элементы электрической цепи сравнения 3 используются при диагностических работах в условиях заказчика. Далее при обесточенной измерительной схеме подключают испытуемую индуктивную обмотку 10 к линейному проводнику 9, вновь подключают сеть, если при этом возникнет номинальная величина тока, отсчитываемая амперметром 1, то это соответствует исправному состоянию испытуемой индуктивной обмотки 10. Электрическая цепь сравнения 3 в предлагаемом изобретении позволяет компенсировать номинальный ток заведомо исправной индуктивной обмотки.Measurement of the proposed device is as follows. In the de-energized measuring circuit of the device, disconnect the comparison circuit 3 from the linear conductor 8 of the secondary winding of the three-phase transformer 6, disconnect the test inductive winding 10 from the linear conductor 9, set the voltage regulator of the secondary windings to the zero position. One of the known-good windings of a single or three-phase electric motor, for example, a compressor of a refrigerator or an air conditioner, is connected to the linear conductor 7 of the secondary winding of the transformer 6 of the measuring circuit. The device circuit is connected to a three-phase network, the regulator sets such a secondary voltage value at which a nominal current value appears in a known-good inductive winding 2, measured by ammeter 1. Next, the measurement circuit is de-energized, the comparison circuit 3 is connected to the linear conductor 8 of the secondary winding of transformer 6 , reconnect the network, change the resistance values of the resistor 4 and the capacitance of the capacitor 5 to those values at which the current in the linear conductor 9, the measured ampere etrom 1, is zero. The obtained resistance values of the resistor 4 and the capacitance of the capacitor 5 of the electric circuit 3 of comparison are recorded in the database. The database and the elements of the electrical circuit of comparison 3 are used for diagnostic work in the customer's conditions. Then, when the measurement circuit is de-energized, the test inductive winding 10 is connected to the linear conductor 9, the network is reconnected, if the rated current measured by the ammeter 1 appears, this corresponds to the working condition of the tested inductive winding 10. The comparison circuit 3 in the present invention allows to compensate rated current of a known-good inductive winding.

Сущность предлагаемого устройства для диагностики индуктивных обмоток наглядно можно продемонстрировать с помощью векторной диаграммы напряжений и токов, показанной на фиг.3.The essence of the proposed device for the diagnosis of inductive windings can clearly be demonstrated using the vector diagram of voltages and currents, shown in figure 3.

При соединении вторичных обмоток трансформатора по схеме треугольника, фиг.2 векторная диаграмма трехфазных напряжений симметричная с углом сдвига фаз, равным 120°. Подключаемая к выводам 7, 8, 9 вторичной обмотки трансформатора 6 электрическая цепь содержит ветви 2, 3, 10, соединенные между собой звездой без нулевого проводника. Векторная сумма токов в таком соединении равна нулю, т.е. I_A+I_В+I_C =0. Токи в индуктивных обмотках 2 и 10 отстающие относительно векторов напряжений т.к. они имеет индуктивный характер. Вектор полного тока I_С в электрической цепи сравнения 3 опережающий относительно вектора напряжения, т.к. он имеет емкостный характер.When connecting the secondary windings of the transformer according to the triangle diagram, figure 2, the three-phase voltage vector diagram is symmetrical with a phase angle of 120 °. The electric circuit connected to the terminals 7, 8, 9 of the secondary winding of the transformer 6 contains branches 2, 3, 10, interconnected by a star without a neutral conductor. The vector sum of currents in such a connection is zero, i.e. I _A + I _B + I _C = 0. The currents in inductive windings 2 and 10 are lagging relative to the voltage vectors since they have an inductive character. The total current vector I _C in the electrical comparison circuit 3 is ahead of the voltage vector, because It has a capacitive character.

Как следует из векторной диаграммы, фиг.3, векторы токов 1_B и 1_C взаимно компенсированы, т.к. они имеют взаимно противоположное направление. Показание амперметра 1 будут соответствовать полному току в индуктивной обмотке, подключенной к линейному проводнику 9.As follows from the vector diagram, figure 3, the current vectors 1 _B and 1 _C are mutually compensated, because they have a mutually opposite direction. The reading of ammeter 1 will correspond to the total current in the inductive winding connected to the linear conductor 9.

По известным величинам активного сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 легко рассчитать составляющие полного сопротивления индуктивной обмотки. На практике у всех электродвигателей встроенных электроприводов компрессоров холодильников и кондиционеров угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения при номинальных токах меньше 60°. Поэтому активное сопротивление следует из векторной диаграммы, в электрической цепи сравнения не велико, малы и потери мощности тока в этой цепи.From the known values of the active resistance of the resistor 4 and the capacitance of the capacitor 5, it is easy to calculate the components of the impedance of the inductive winding. In practice, all electric motors of built-in electric drives of compressors of refrigerators and air conditioners have a phase angle angle between current and voltage vectors at rated currents less than 60 °. Therefore, the active resistance follows from the vector diagram, in the electrical circuit the comparison is not large, and the current power losses in this circuit are small.

Таким образом, предлагаемое техническое решение расширяет возможности диагностики индуктивных обмоток электродвигателей электроприводов на ранних стадиях, когда такие нарушения чаще всего проявляются при деформациях обмоток от нагрева их токами равных или более номинальных при меньших энергетических затратах. Соединение вторичной обмотки трехфазного трансформатора треугольником, в отличие от соединения звездой, при равных линейных токах, позволяет изготовить вторичную обмотку из проводников с меньшей площадью сечения.Thus, the proposed technical solution expands the diagnostic capabilities of inductive windings of electric motors of electric drives in the early stages, when such violations are most often manifested when the windings are deformed by heating them with currents of equal or more nominal at lower energy costs. The connection of the secondary winding of a three-phase transformer with a triangle, in contrast to the connection with a star, with equal linear currents, allows you to make a secondary winding of conductors with a smaller cross-sectional area.

Claims

Устройство для диагностики индуктивных обмоток, содержащее трехфазный трансформатор с регулируемым напряжением вторичной обмотки, соединенной по схеме треугольник и имеющей три линейных проводника, заведомо исправную индуктивную обмотку, соединенную одним из выводов с первым линейным проводником, цепь сравнения, содержащую конденсатор и резистор с переменными величинами сопротивлений, имеющую возможность подключения одним из выводов ко второму линейному проводнику и второму выводу заведомо исправной обмотки, и амперметр, подключенный к третьему линейному проводнику, причем устройство выполнено с возможностью измерения посредством амперметра тока в цепи заведомо исправной обмотки при отключенной цепи сравнения и испытуемой обмотке, с возможностью измерения тока при подключении цепи сравнения одним выводом ко второму линейному проводнику, а вторым выводом - ко второму выводу заведомо исправной обмотки, отличающееся тем, что устройство выполнено с возможностью измерения тока при подключении испытуемой обмотки в цепь третьего линейного проводника к узлу соединения заведомо исправной обмотки последовательно с амперметром. A device for diagnosing inductive windings, containing a three-phase transformer with an adjustable voltage of the secondary winding, connected according to the triangle circuit and having three linear conductors, a known-good inductive winding connected by one of the terminals to the first linear conductor, a comparison circuit containing a capacitor and a resistor with variable resistance values having the ability to connect one of the terminals to the second line conductor and the second terminal of a known-good winding, and an ammeter, connected to the third linear conductor, and the device is configured to measure, by means of an ammeter, the current in the circuit of a known-good winding with the comparison circuit disconnected and the tested winding, with the ability to measure current when the comparison circuit is connected with one terminal to the second linear conductor, and the second terminal to the second terminal a known-good winding, characterized in that the device is configured to measure current when connecting the test winding in the circuit of the third linear conductor to the connection node tions known good winding in series with the ammeter.